JP2003218324A - Magnetic storage device and manufacturing method therefor - Google Patents

Magnetic storage device and manufacturing method therefor

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JP2003218324A
JP2003218324A JP2002009514A JP2002009514A JP2003218324A JP 2003218324 A JP2003218324 A JP 2003218324A JP 2002009514 A JP2002009514 A JP 2002009514A JP 2002009514 A JP2002009514 A JP 2002009514A JP 2003218324 A JP2003218324 A JP 2003218324A
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JP
Japan
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layer
tunnel insulating
film
magnetic
magnetic memory
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JP2002009514A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiaki Komuro
善昭 小室
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To avoid the local concentration of electric fields to the tunnel insulating layers of a plurality of TMR elements loaded on an information storage device storing information by using a magnetic resistance effect and to improve and stabilize the capacities of the TMR elements. <P>SOLUTION: The magnetic storage device 1 is provided with the magnetic storage elements (TMR elements 13) having laminated structures each constituted of a first ferromagnetic layer (magnetized fixed layer 302), the tunnel insulating layer 303 and a second ferromagnetic layer (storage layer 304). The tunnel insulating layer 303 is formed on the surface of the first ferromagnetic layer (second magnetized fixed layer 308) formed on a mirror surface. A surface, where the first ferromagnetic layer (magnetized fixed layer 302) of an antiferromagnetic layer 305 arranged in the TMR element 13 is formed, can be formed on the mirror surface. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気記憶装置およ
びその製造方法に関するものであり、詳しくは、磁化領
域を外部からの磁界を与えることにより、磁化領域の磁
化方向を制御するTMR(Tunnel Magneto Resistance)
素子を記憶素子に有する磁気記憶装置およびその製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic memory device and a method for manufacturing the same, and more specifically, to a TMR (Tunnel Magneto) for controlling the magnetization direction of a magnetized region by applying a magnetic field from the outside to the magnetized region. Resistance)
The present invention relates to a magnetic storage device having a storage element and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人
用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメの
モリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低
電力化など、一層の高性能化が要請されている。特に不
揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠だと考えら
れている。電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワ
ークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発
性メモリは個人の重要な情報を保護できる。また、最近
の携帯機器は不要の回路ブロックをスタンバイ状態にし
てできるだけ消費電力を抑えるよう設計されているが、
高速のワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねる
ことができる不揮発性メモリが実現できれば消費電力と
メモリの無駄を無くすことができる。また電源を入れる
と瞬時に起動できる“インスタント・オン”機能も高速
の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってく
る。
2. Description of the Related Art With the rapid spread of information communication equipment, especially small personal equipment such as mobile terminals, the elements such as memory and logic that compose the equipment have high integration, high speed and low power consumption. There is a demand for even higher performance, such as higher performance. In particular, non-volatile memory is considered to be indispensable in the ubiquitous age. The non-volatile memory can protect important personal information even when the power supply is exhausted, trouble occurs, or the server and network are disconnected due to some kind of failure. In addition, recent mobile devices are designed to put unnecessary circuit blocks in standby mode to reduce power consumption as much as possible.
If a non-volatile memory that can double as a high-speed work memory and a large-capacity storage memory can be realized, power consumption and memory waste can be eliminated. In addition, an "instant-on" function that can be instantly started when the power is turned on will be possible if a high-speed, large-capacity nonvolatile memory can be realized.

【0003】不揮発性メモリとしては、半導体を用いた
フラッシュメモリや、強誘電体を用いたFRAM(Ferr
o electric Random Access Memory)などが挙げられ
る。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度
がμ秒のオーダーと遅いという欠点がある。一方、FR
AM においては、書き換え可能回数が1012回〜101
4回で完全にSRAM、DRAMを置き換えるには耐久
性が低い、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいとい
う問題が指摘されている。
The nonvolatile memory includes a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferr) using a ferroelectric.
o electric Random Access Memory) etc. However, the flash memory has a drawback that the writing speed is low, on the order of microseconds. On the other hand, FR
In AM, the number of rewritable times is 10 12 to 10 1
It has been pointed out that it is difficult to completely replace SRAM and DRAM in four times, and it is difficult to finely process ferroelectric capacitors.

【0004】これらの欠点を有さない不揮発性メモリと
して注目されているのが、例えば「Wang et al., IEEE
Trans. Magn. 33 (1997), 4498」に記載されているよう
な、MRAM(Magnetic Random Access Memory)とよ
ばれる磁気メモリであり、近年のTMR材料の特性向上
により、注目を集めるようになってきている。
As a non-volatile memory which does not have these drawbacks, for example, "Wang et al., IEEE
Trans. Magn. 33 (1997), 4498 ”, which is a magnetic memory called MRAM (Magnetic Random Access Memory), and has been attracting attention due to the recent improvement in characteristics of TMR materials. ing.

【0005】MRAMは、構造が単純であるため高集積
化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記録
を行うために書き換え可能回数が大である。またアクセ
ス時間についても非常に高速であることが予想され、既
に100MHzで動作可能であることがR.Scheuerlein
et al, ISSCC Digest of Technical Papers,pp.128-12
9,Feb.2000で報告されている。
Since the MRAM has a simple structure, high integration can be easily achieved, and the number of rewritable times is large because recording is performed by rotation of a magnetic moment. The access time is also expected to be very high, and it is already possible to operate at 100 MHz by R. Scheuerlein.
et al, ISSCC Digest of Technical Papers, pp.128-12
9, Feb. 2000.

【0006】上述した通り、高速・高集積化が容易とい
う長所を有するMRAMではあるが、書き込みをTMR
素子に近接させて設けられたビットラインと書き込み用
ワードラインの電流を流し、その発生磁界によって行
う。
As described above, although the MRAM has the advantage that high speed and high integration is easy, writing is performed by TMR.
Current is supplied to the bit line and the write word line provided close to the element, and the generated magnetic field is used.

【0007】このメモリは、2層の磁性層で絶縁層を挟
んだ構造を有するTMR素子を備え、2つの磁性層の磁
化の向きが平行になっている時の方が反平行になってい
る時より電子がトンネル絶縁層をトンネリングする確率
が高いことを利用して記録磁化の検出を行うものであ
る。
This memory has a TMR element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between two magnetic layers, and the two magnetic layers are antiparallel when the directions of magnetization are parallel. Recording magnetization is detected by utilizing the fact that electrons have a higher probability of tunneling through the tunnel insulating layer.

【0008】TMRの記録層の反転磁界は材料にもよる
が20Oe〜200Oe必要であるがこのときの電流は
数mAから数十mAになる。これは消費電流大につなが
り、携帯機器の低消費電力化に対して大きな問題にな
る。また、高集積化という面からは、ビット線と書き込
みワード線サイズはリソグラフィ技術から決まる最小線
幅に近いサイズが要求される。仮にビット線幅/ワード
線幅0.6μmとして配線の膜厚を500nmとすると
3MA/cm2 になり、銅配線を使った場合(実用電流密
度:0.5A/cm2 〜1MA/cm2 )も、エレクトロ
マイグレーションに対する寿命は大きな問題になる。さ
らに微細化していくと強磁性体の反転磁界は増加し、配
線のディメンションも縮小しなければならないため、こ
の配線信頼性の問題はより大きくなってくる。
The switching field of the TMR recording layer needs to be 20 Oe to 200 Oe depending on the material, but the current at this time is from several mA to several tens mA. This leads to a large current consumption, which poses a serious problem in reducing the power consumption of portable devices. Further, in terms of high integration, the bit line and write word line sizes are required to be close to the minimum line width determined by the lithography technique. If the bit line width / word line width is 0.6 μm and the film thickness of the wiring is 500 nm, it becomes 3 MA / cm 2 , and when copper wiring is used (practical current density: 0.5 A / cm 2 to 1 MA / cm 2 ). However, the lifetime for electromigration becomes a big problem. If the size is further reduced, the switching field of the ferromagnetic material increases and the dimension of the wiring must be reduced, so that the problem of the wiring reliability becomes more serious.

【0009】また、このTMRのON、OFFを制御し
ているトンネル絶縁層として用いているAl2 3 の品
質もこのメモリの信頼性に影響を与えている。
The quality of Al 2 O 3 used as a tunnel insulating layer for controlling ON / OFF of the TMR also affects the reliability of this memory.

【0010】このような磁気トンネリング現象を示すT
MRは、平坦な優れた特性を有するトンネル絶縁層を形
成することが最も重要である。
T showing such a magnetic tunneling phenomenon
It is most important for MR to form a flat tunnel insulating layer having excellent characteristics.

【0011】上記に示したようにトンネル絶縁層の高品
質化は重要であり、この高品質なトンネル絶縁層を作成
するためには多くの必要な条件がある。
As described above, it is important to improve the quality of the tunnel insulating layer, and there are many necessary conditions for producing this high-quality tunnel insulating layer.

【0012】その1つの要因として挙げられるのがトン
ネル絶縁層の材質である。一般的には酸化アルミニウム
(Al2 3 )が用いられ、その製造方法にも複数の製
造方法があるが安定した膜を形成する必要がある。この
トンネル絶縁層の材質は酸化アルミニウムに決まってい
るわけではなく、例えば特開平11-175921号公
報などに示されるような周期律表のIVa族、Va族元素
であるチタン(Ti)、ジルコニウム(Zn)、ハフニ
ウム(Hf)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タ
ンタル(Ta)の群から選択された1つの元素の酸化物
又は複数の元素からなる合金の酸化物を用いることもで
きる。
One of the factors is the material of the tunnel insulating layer. Generally, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is used, and there are a plurality of manufacturing methods, but it is necessary to form a stable film. The material of the tunnel insulating layer is not limited to aluminum oxide, and titanium (Ti), zirconium (zitanium) which is a group IVa or Va group element of the periodic table as disclosed in, for example, JP-A-11-175921. It is also possible to use an oxide of one element selected from the group of Zn), hafnium (Hf), vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta), or an oxide of an alloy of a plurality of elements.

【0013】上記トンネル絶縁層の材質の選択基準とし
て上げられるのが、トンネル絶縁層の膜厚均一性であ
る。酸化アルミニウムの場合、この膜厚は0.5nm〜
5nmが一般的に用いられる。
A criterion for selecting the material of the tunnel insulating layer is the uniformity of the film thickness of the tunnel insulating layer. In the case of aluminum oxide, this film thickness is 0.5 nm
5 nm is commonly used.

【0014】トンネル絶縁層をTMR素子の中で一定に
保つためには、トンネル絶縁層を一定の膜厚で形成でき
る形成方法、例えばCVD法などによる均一性の制御が
必要となる。
In order to keep the tunnel insulating layer constant in the TMR element, it is necessary to control the uniformity by a forming method capable of forming the tunnel insulating layer with a constant film thickness, such as a CVD method.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、均一に
成膜できる方法が確立されたとしてもこの膜を成膜する
下地の膜の表面に凹凸が有った場合、実際にはトンネル
絶縁層には厚い部分と薄い部分とが生じる。また、これ
らの凹凸が有った場合には電界の集中を生じ一定の性能
を示すTMR素子を形成することが困難になる。この凹
凸(今後これを面粗さと表記する)の許容範囲はこのト
ンネル絶縁層の厚さにもよるが、1nm以下にする必要
がある。
However, even if a method for forming a uniform film has been established, if there is unevenness on the surface of the underlying film on which this film is formed, the tunnel insulating layer is actually not formed. Thick and thin parts occur. Further, when these irregularities are present, the electric field is concentrated and it becomes difficult to form a TMR element having a constant performance. The allowable range of this unevenness (hereinafter referred to as surface roughness) depends on the thickness of this tunnel insulating layer, but it must be 1 nm or less.

【0016】一般的には溝配線技術により形成された配
線であるワード線上にTMR素子を形成するが、溝配線
技術で化学的機械研磨(以下CMPという、CMPはCh
emical Mechanical Polishingの略)する配線材料には
比較的柔らかい材質のものが多く、CMPによりその上
に微細な凹凸が生じる。
Generally, a TMR element is formed on a word line, which is a wiring formed by a groove wiring technique, but chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP, CMP stands for Ch
Many wiring materials used for emical mechanical polishing are relatively soft, and fine unevenness is formed on the wiring material by CMP.

【0017】また、スパッタ法によるTMR素子の各材
料の成膜時にも微小な段差を生じ、TMR素子の特性の
悪化を招く。
In addition, a minute step is formed even when each material of the TMR element is formed by the sputtering method, and the characteristics of the TMR element are deteriorated.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた磁気記憶装置およびその製造方法
である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a magnetic memory device and a method of manufacturing the same for solving the above problems.

【0019】本発明の磁気記憶装置は、第1強磁性体層
とトンネル絶縁層と第2強磁性体層とからなる積層構造
を有する磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置において、
トンネル絶縁層は、鏡面に形成された第1強磁性体層表
面に形成されているものである。
The magnetic storage device of the present invention is a magnetic storage device having a magnetic storage element having a laminated structure including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer.
The tunnel insulating layer is formed on the surface of the first ferromagnetic material layer formed on the mirror surface.

【0020】上記磁気記憶装置では、トンネル絶縁層
は、鏡面に形成された第1強磁性体層表面に形成されて
いることから、均一な膜厚に形成されている。したがっ
て、トンネル絶縁層に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形
成されていることによって生じていた電界の集中を回避
することができ、TMR素子の性能の向上が図れる。こ
こでいう鏡面とは、最大粗さRmaxで0.5nm以下の
粗さの平坦な面をいう。好ましくはRmaxで0.25n
m以下の粗さの平坦な面、さらに好ましくはRmaxで
0.1nm以下の粗さの平坦な面をいう。以下、本明細
書における鏡面は上記同様の定義とする。
In the above magnetic memory device, since the tunnel insulating layer is formed on the surface of the first ferromagnetic layer formed on the mirror surface, it has a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer, thereby improving the performance of the TMR element. The mirror surface here means a flat surface having a maximum roughness Rmax of 0.5 nm or less. Preferably Rmax is 0.25n
It means a flat surface having a roughness of m or less, more preferably a flat surface having a roughness of 0.1 nm or less in Rmax. Hereinafter, the mirror surface in this specification has the same definition as above.

【0021】本発明の磁気記憶装置は、第1強磁性体層
とトンネル絶縁層と第2強磁性体層とからなる積層構造
を有する磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置において、
磁気記憶素子内に配置される反強磁性体層は第1強磁性
体層が形成される表面が鏡面に形成されているものであ
る。
The magnetic storage device of the present invention is a magnetic storage device including a magnetic storage element having a laminated structure including a first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer,
The antiferromagnetic material layer disposed in the magnetic memory element has a mirror-finished surface on which the first ferromagnetic material layer is formed.

【0022】上記磁気記憶装置では、磁気記憶素子内に
配置される反強磁性体層の表面が鏡面に形成されている
ことから、その上面に形成される強磁性体層、トンネル
絶縁層等が均一な膜厚に形成されている。したがって、
トンネル絶縁層に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形成さ
れていることによって生じていた電界の集中を回避する
ことができ、TMR素子の性能の向上が図れる。
In the above magnetic memory device, since the surface of the antiferromagnetic material layer arranged in the magnetic memory element is formed as a mirror surface, the ferromagnetic material layer, the tunnel insulating layer, etc. formed on the upper surface thereof are not formed. It is formed with a uniform film thickness. Therefore,
It is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer and improve the performance of the TMR element.

【0023】本発明の磁気記憶装置の製造方法は、第1
強磁性体層とトンネル絶縁層と第2強磁性体層とからな
る積層構造を有する磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置
の製造方法において、第1強磁性体層を形成した後にそ
の表面を鏡面に研磨する工程と、第1強磁性体層の鏡面
上にトンネル絶縁層を形成する工程とを有する。
The method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention is the first
In a method of manufacturing a magnetic memory device including a magnetic memory element having a laminated structure including a ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer, a surface of the magnetic layer is mirror-finished after the first ferromagnetic layer is formed. And a step of forming a tunnel insulating layer on the mirror surface of the first ferromagnetic layer.

【0024】上記磁気記憶装置の製造方法では、第1強
磁性体層を鏡面に研磨した後にその鏡面にトンネル絶縁
層を形成することから、トンネル絶縁層は均一な膜厚に
形成される。したがって、トンネル絶縁層に膜厚の厚い
部分と薄い部分とが形成されることによって発生してい
た電界の集中を回避することができ、TMR素子の性能
の向上が図れる。
In the method of manufacturing a magnetic memory device described above, since the tunnel insulating layer is formed on the mirror surface after polishing the first ferromagnetic layer to the mirror surface, the tunnel insulating layer is formed to have a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer, and it is possible to improve the performance of the TMR element.

【0025】本発明の磁気記憶装置の製造方法は、第1
強磁性体層とトンネル絶縁層と第2強磁性体層とからな
る積層構造を有する磁気記憶素子を備えた磁気記憶装置
の製造方法において、磁気記憶素子内に配置される反強
磁性体層の表面を鏡面に研磨する工程を有する。
The method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention is the first
In a method of manufacturing a magnetic memory device including a magnetic memory element having a stacked structure including a ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer disposed in the magnetic memory element is provided. There is a step of polishing the surface to a mirror surface.

【0026】上記磁気記憶装置の製造方法では、反強磁
性体層の表面を鏡面に研磨する工程を有することから、
反強磁性体層の上面に形成される強磁性体層、トンネル
絶縁層等が均一な膜厚に形成される。したがって、トン
ネル絶縁層に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形成される
ことによって発生していた電界の集中を回避することが
でき、TMR素子の性能の向上が図れる。
Since the method of manufacturing the magnetic memory device has a step of polishing the surface of the antiferromagnetic material layer to a mirror surface,
The ferromagnetic material layer, the tunnel insulating layer, and the like formed on the upper surface of the antiferromagnetic material layer are formed with a uniform thickness. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer, and it is possible to improve the performance of the TMR element.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】まず、一般的なMRAM(Magnet
ic Random Access Memory)を、図2の主要部を簡略化
して示した概略構成斜視図によって説明する。図2で
は、簡略化して示したため、読み出し回路部分の図示は
省略されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a general MRAM (Magnet
ic Random Access Memory) will be described with reference to a schematic perspective view showing a simplified main part of FIG. In FIG. 2, since the illustration is simplified, the illustration of the read circuit portion is omitted.

【0028】図2に示すように、9個のメモリセルを含
み、相互に交差する書き込みワード線11(111、1
12、113)およびビット線12(121、122、
123)を有する。それらの書き込みワード線11とビ
ット線12の交差領域には、磁気記憶素子として磁気抵
抗効果(TMR)素子13(131〜139)が配置さ
れている。TMR素子13への書き込みは、ビット線1
2および書き込みワード線11に電流を流し、それから
発生する合成磁界によってビット線12と書き込みワー
ド線11との交差領域に形成されたTMR素子13の記
憶層304(詳細は図4参照)の磁化方向を磁化固定層
302(詳細は図4参照)に対して平行または反平行に
して行う。
As shown in FIG. 2, write word lines 11 (111, 1) which include nine memory cells and intersect each other.
12, 113) and the bit line 12 (121, 122,
123). Magnetoresistive (TMR) elements 13 (131 to 139) are arranged as magnetic memory elements at the intersections of the write word lines 11 and the bit lines 12. Writing to the TMR element 13 is performed by the bit line 1
2 and the write word line 11, a magnetization direction of the memory layer 304 (see FIG. 4 for details) of the storage layer 304 of the TMR element 13 formed in the intersecting region between the bit line 12 and the write word line 11 by a synthetic magnetic field generated from the current. Is performed in parallel or antiparallel to the magnetization fixed layer 302 (see FIG. 4 for details).

【0029】図3に示すアステロイド曲線は、印加され
た容易軸方向磁界HEA および困難軸方向磁界HHA によ
る記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。アステ
ロイド曲線外部に相当する合成磁界ベクトルが発生する
と、磁界反転が生じる。アステロイド曲線内部の合成磁
界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反
転させることはない。また、電流を流しているワード線
およびビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線
もしくはビット線単独で発生する磁界が印加されるた
め、それらの大きさが一方向反転磁界HK 以上の場合
は、交点以外のセルの磁化方向も反転するので、合成磁
界が斜線で示す部分401にある場合のみ、選択された
セルを選択書き込みが可能となる。
The asteroid curve shown in FIG. 3 shows the reversal threshold value of the magnetization direction of the memory layer due to the applied easy-axis direction magnetic field H EA and hard-axis direction magnetic field H HA . When a synthetic magnetic field vector corresponding to the outside of the asteroid curve is generated, magnetic field reversal occurs. The resultant magnetic field vector inside the asteroid curve does not invert the cell from one of its current bistable states. In addition, since the magnetic field generated by the word line or the bit line alone is applied to cells other than the intersection of the word line and the bit line that are passing current, when the magnitude of these is greater than or equal to the one-way reversal magnetic field H K. Since the magnetization directions of the cells other than the intersections are also inverted, the selected cell can be selectively written only when the combined magnetic field is in the shaded portion 401.

【0030】以上のように、MRAMのアレイでは、ビ
ット線および書き込みワード線からなる格子の交点にメ
モリセルが配置されている。MRAMの場合、書き込み
ワード線とビット線とを使用することで、アステロイド
磁化反転特性を利用し、選択的に個々のメモリセルに書
き込むことが一般的である。
As described above, in the MRAM array, the memory cells are arranged at the intersections of the grids of the bit lines and the write word lines. In the case of an MRAM, it is common to use write word lines and bit lines to utilize the asteroid magnetization reversal characteristic and selectively write to individual memory cells.

【0031】単一の記憶領域における合成磁化は、それ
に印加された容易軸方向磁界HEAと困難軸方向磁界H
HA とのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れ
る電流はセルに容易軸方向の磁界(HEA )を印加し、
書き込みワード線を流れる電流はセルに困難軸方向の磁
界(HHA )を印加する。
The combined magnetization in a single storage area is the easy-axis direction magnetic field H EA and the hard-axis direction magnetic field H applied to it.
Determined by vector composition with HA . The current flowing through the bit line applies a magnetic field (H EA ) in the easy axis direction to the cell,
A current flowing through the write word line applies a magnetic field (H HA ) in the hard axis direction to the cell.

【0032】なお、文献(R.H.Koch et al., Phys.Rev.
Lett.84 (2000)p.5419、J.Z.Sun etal., Joint Magneti
sm and Magnetic Material 8 (2001))に、「磁化反転
は温度を上げてアシストすると磁化困難軸方向の反転磁
界HSWを下げることができる」と開示されている。した
がって、本発明の磁気記憶装置においても、素子に影響
を及ぼさない程度に温度を上げて磁化反転させることも
有効である。
The literature (RHKoch et al., Phys. Rev.
Lett. 84 (2000) p.5419, JZSun et al., Joint Magneti
sm and Magnetic Material 8 (2001)), "Magnetization reversal can lower the reversal magnetic field H SW in the direction of hard axis by assisting by raising temperature." Therefore, also in the magnetic memory device of the present invention, it is also effective to raise the temperature to the extent that it does not affect the element and to reverse the magnetization.

【0033】次に、上記図2によって説明したMRAM
の原理回路を図4の回路図によって説明する。
Next, the MRAM described with reference to FIG.
The principle circuit of 1 will be described with reference to the circuit diagram of FIG.

【0034】図4に示すように、このMRAMの回路で
は、6個のメモリセルを含み、図2に対応する相互に交
差する書き込みワード線11(111、112)および
ビット線12(121、122、123)を有する。こ
れらの書き込み線ワード線11とビット線12との交差
領域には、記憶素子となるTMR素子13(131、1
32、134、135、137、138が配置され、さ
らに読み出しの際に素子選択を行うもので各記憶素子に
対応して電界効果トランジスタ141、142、14
4、145、147、148が接続されている。さらに
電界効果トランジスタ141、144、147にはセン
ス線151が接続され、電界効果トランジスタ142、
145、148にはセンス線152が接続されている。
As shown in FIG. 4, the MRAM circuit includes six memory cells, and the write word lines 11 (111, 112) and bit lines 12 (121, 122) corresponding to FIG. 2 intersect each other. , 123). In the intersection area of the write line word line 11 and the bit line 12, the TMR element 13 (131, 1;
32, 134, 135, 137, and 138 are arranged, and element selection is performed at the time of reading. The field effect transistors 141, 142, and 14 correspond to each memory element.
4, 145, 147 and 148 are connected. Further, a sense line 151 is connected to the field effect transistors 141, 144, 147, and the field effect transistor 142,
A sense line 152 is connected to 145 and 148.

【0035】上記センス線151はセンスアンプ153
に接続され、センス線152はセンスアンプ154に接
続され、それぞれ素子に記憶された情報を検出する。ま
た、書き込みワード線111の両端には、双方向の書き
込みワード線電流駆動回路161、162が接続され、
書き込みワード線112の両端には、双方向の書き込み
ワード線電流駆動回路163、164が接続されてい
る。さらにビット線121の一端にはビット線電流駆動
回路171が接続され、ビット線122の一端にはビッ
ト線電流駆動回路172が接続され、ビット線123の
一端にはビット線電流駆動回路173が接続されてい
る。
The sense line 151 is the sense amplifier 153.
, And the sense line 152 is connected to the sense amplifier 154 to detect the information stored in each element. Bidirectional write word line current drive circuits 161 and 162 are connected to both ends of the write word line 111,
Bidirectional write word line current drive circuits 163 and 164 are connected to both ends of the write word line 112. Further, a bit line current drive circuit 171 is connected to one end of the bit line 121, a bit line current drive circuit 172 is connected to one end of the bit line 122, and a bit line current drive circuit 173 is connected to one end of the bit line 123. Has been done.

【0036】上記電界効果トランジスタ141、14
2、144、145、147、148は、例えばp型半
導体基板に形成されたn型電界効果型トランジスタで構
成、読み出しのためのスイッチング素子として機能する
が、この他に、p型電界効果トランジスタ、ダイオー
ド、バイポーラトランジスタ、MESFET等、各種の
スイッチング素子を用いることが可能である。
The field effect transistors 141 and 14
2, 144, 145, 147, and 148 are composed of, for example, n-type field effect transistors formed on a p-type semiconductor substrate, and function as switching elements for reading. Various switching elements such as diodes, bipolar transistors, MESFETs, etc. can be used.

【0037】次に、磁気記憶装置の基本構成を以下に説
明する。まず、メモリセルの記憶素子となるトンネル磁
気抵抗素子(以下TMR素子と記す)を図5の斜視図に
より説明する。
Next, the basic structure of the magnetic storage device will be described below. First, a tunnel magnetoresistive element (hereinafter referred to as a TMR element) which will be a storage element of a memory cell will be described with reference to the perspective view of FIG.

【0038】図5に示すように、磁気記憶素子(TMR
素子)13は、基本的には、磁化が固定されているもの
で強磁性体からなる磁化固定層302と磁化が比較的容
易に回転するもので強磁性体からなる記憶層304とで
トンネル絶縁層303を挟む構成を有している。
As shown in FIG. 5, the magnetic memory element (TMR
The element 13 is basically a magnetization fixed layer having a magnetization fixed layer 302 made of a ferromagnetic material, and a magnetization rotating relatively easily, and a storage layer 304 made of a ferromagnetic material. It has a structure sandwiching the layer 303.

【0039】図5に示す一例では、支持基板311上に
下地電極層312が形成され、その上に反強磁性体層3
05が形成されている。さらに、上記磁化固定層30
2、上記トンネル絶縁層303、上記記憶層304が順
に積層されている。上記磁化固定層302は、第1の磁
化固定層306と第2の磁化固定層308とを有し、こ
の第1、第2の磁化固定層306、308との間に、磁
性層が反強磁性的に結合するような導電体層307が配
置されている。
In the example shown in FIG. 5, the base electrode layer 312 is formed on the support substrate 311, and the antiferromagnetic material layer 3 is formed thereon.
05 is formed. Further, the magnetization fixed layer 30
2. The tunnel insulating layer 303 and the storage layer 304 are sequentially stacked. The magnetization pinned layer 302 has a first magnetization pinned layer 306 and a second magnetization pinned layer 308, and the magnetic layer has a repulsive strength between the first and second magnetization pinned layers 306 and 308. A conductor layer 307 is arranged so as to be magnetically coupled.

【0040】上記下地電極層312は、TMR素子13
と直列に接続されるスイッチング素子との接続に用いら
れ、反強磁性体層305を兼ねても良い。この構成のセ
ルにおいては磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検
出して情報を読み出すが、その効果は記憶層304と磁
化固定層302との相対磁化方向に依存する。
The base electrode layer 312 is the TMR element 13
And the antiferromagnetic material layer 305 may also be used as the antiferromagnetic material layer 305. In the cell having this structure, the tunnel current change due to the magnetoresistive effect is detected and the information is read, but the effect depends on the relative magnetization direction between the storage layer 304 and the magnetization fixed layer 302.

【0041】上記反強磁性体層305は、例えば、鉄マ
ンガン合金、ニッケルマンガン合金、白金マンガン合
金、イリジウムマンガン合金、ロジウムマンガン合金、
コバルト酸化物、ニッケル酸化物等からなる。
The antiferromagnetic material layer 305 is made of, for example, iron-manganese alloy, nickel-manganese alloy, platinum-manganese alloy, iridium-manganese alloy, rhodium-manganese alloy,
It is made of cobalt oxide, nickel oxide, or the like.

【0042】上記記憶層304、上記第1、第2磁化固
定層306、308は、強磁性体であり、例えば、ニッ
ケル、鉄およびコバルトのうちの少なくとも2種からな
る合金、またはニッケル、鉄もしくはコバルトで構成さ
れる。
The storage layer 304 and the first and second magnetization fixed layers 306 and 308 are ferromagnetic materials, and are, for example, an alloy of at least two kinds of nickel, iron and cobalt, or nickel, iron or Composed of cobalt.

【0043】上記導電体層307は、例えば、ルテニウ
ム、銅、クロム、金、銀等で形成されている。
The conductor layer 307 is formed of, for example, ruthenium, copper, chromium, gold, silver or the like.

【0044】上記第1の磁化固定層306は、反強磁性
体層305と接する状態に形成されていて、これらの層
間に働く交換相互作用によって、第1の磁化固定層30
6は、強い一方向の磁気異方性を有している。
The first magnetization fixed layer 306 is formed in contact with the antiferromagnetic material layer 305, and the first magnetization fixed layer 30 is formed by the exchange interaction acting between these layers.
No. 6 has strong unidirectional magnetic anisotropy.

【0045】上記トンネル絶縁層303は、例えば、酸
化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒
化アルミニウム、窒化マグネシウム、窒化シリコン、酸
化窒化アルミニウム、酸化窒化マグネシウムもしくは酸
化窒化シリコンからなる。このトンネル絶縁層303
は、上記記憶層304と上記磁化固定層302との磁気
的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための機能
を有する。これらの磁性膜および導電体膜は、主に、ス
パッタリング法によって形成される。トンネル絶縁層3
03は、スパッタリング法によって形成された金属膜を
酸化、窒化もしくは酸化窒化させることにより得ること
ができる。
The tunnel insulating layer 303 is made of, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, aluminum nitride, magnesium nitride, silicon nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxynitride or silicon oxynitride. This tunnel insulating layer 303
Has a function of cutting the magnetic coupling between the storage layer 304 and the magnetization fixed layer 302 and flowing a tunnel current. These magnetic film and conductor film are mainly formed by a sputtering method. Tunnel insulation layer 3
03 can be obtained by oxidizing, nitriding, or oxynitriding a metal film formed by a sputtering method.

【0046】さらに最上層にはトップコート膜313が
形成されている。このトップコート膜313は、TMR
素子13と別のTMR素子13とを接続する配線との相
互拡散防止、接触抵抗低減および記憶層304の酸化防
止という機能を有する。通常、窒化タンタル、タンタ
ル、窒化チタン等の材料により形成されている。下地導
電層312は、TMR素子と直列に接続されるスイッチ
ング素子との接続に用いられるもので、上記反強磁性体
層305を兼ねることも可能である。
Further, a top coat film 313 is formed on the uppermost layer. This top coat film 313 is TMR
It has functions of preventing mutual diffusion between the element 13 and a wiring connecting the other TMR element 13, reducing contact resistance, and preventing oxidation of the memory layer 304. Usually, it is formed of a material such as tantalum nitride, tantalum, titanium nitride or the like. The underlying conductive layer 312 is used for connection with the switching element connected in series with the TMR element, and can also serve as the antiferromagnetic material layer 305.

【0047】上記構成のTMR素子13では、磁気抵抗
効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出す
が、その効果は記憶層304と第1、第2の磁化固定層
306、308との相対磁化方向に依存する。
In the TMR element 13 having the above structure, the tunnel current change due to the magnetoresistive effect is detected and the information is read. The effect is that the relative magnetization between the memory layer 304 and the first and second magnetization fixed layers 306 and 308. It depends on the direction.

【0048】上記磁性膜および導体膜は、スバッタリン
グ法、ALD(Atomic Layer Deposition)法等により
形成され、トンネルバリア層は、先に述べたようにスバ
ッタリングで形成された金属膜を酸化、もしくは窒化さ
せることにより得ることもできる。
The magnetic film and the conductor film are formed by a scatterer method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, etc., and the tunnel barrier layer oxidizes the metal film formed by the scatterer as described above. Alternatively, it can be obtained by nitriding.

【0049】次に、本発明の磁気記憶装置に係る一実施
の形態を、一例として、前記図2および図4に対応する
MRAMの記憶セルの断面構成で示す図1の概略構成断
面図によって説明する。
Next, an embodiment of the magnetic memory device of the present invention will be described by way of example with reference to the schematic sectional view of FIG. 1 showing the sectional structure of the memory cell of the MRAM corresponding to FIG. 2 and FIG. To do.

【0050】図1に示すように、半導体基板(例えばp
型半導体基板)21の表面側にはp型ウエル領域22が
形成されている。このp型ウエル領域22には、トラン
ジスタ形成領域を分離する素子分離領域23が、いわゆ
るSTI(Shallow Trench Isolation)で形成されてい
る。上記p型ウエル領域22上には、ゲート絶縁膜25
を介してゲート電極(ワード線)26が形成され、ゲー
ト電極26の両側におけるp型ウエル領域22には拡散
層領域(例えばN+ 拡散層領域)27、28が形成さ
れ、電界効果型トランジスタ24が構成されている。
As shown in FIG. 1, a semiconductor substrate (for example, p
A p-type well region 22 is formed on the surface side of the (type semiconductor substrate) 21. An element isolation region 23 for isolating a transistor formation region is formed in the p-type well region 22 by so-called STI (Shallow Trench Isolation). A gate insulating film 25 is formed on the p-type well region 22.
A gate electrode (word line) 26 is formed through the gate electrode 26, and diffusion layer regions (for example, N + diffusion layer regions) 27 and 28 are formed in the p-type well region 22 on both sides of the gate electrode 26. Is configured.

【0051】上記電界効果トランジスタ24は読み出し
のためのスイッチング素子として機能する。これは、n
型またはp型電界効果トランジスタの他に、ダイオー
ド、バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子
を用いることも可能である。
The field effect transistor 24 functions as a switching element for reading. This is n
In addition to the p-type or p-type field effect transistor, various switching elements such as a diode and a bipolar transistor can be used.

【0052】上記電界効果型トランジスタ24を覆う状
態に第1の絶縁膜41が形成されている。この第1の絶
縁膜41には上記拡散層領域27、28に接続するコン
タクト29、30が形成されている。さらに第1の絶縁
膜41上にはコンタクト29、30に接続するセンス線
15、第1の配線31が形成されている。
A first insulating film 41 is formed so as to cover the field effect transistor 24. Contacts 29 and 30 connected to the diffusion layer regions 27 and 28 are formed in the first insulating film 41. Further, the sense line 15 and the first wiring 31 connected to the contacts 29 and 30 are formed on the first insulating film 41.

【0053】上記第1の絶縁膜41上には、上記センス
線15、第1の配線31等を覆う第2の絶縁膜42が形
成されている。この第2の絶縁膜42には上記第1の配
線1に接続するコンタクト33が形成されている。さら
に上記第2の絶縁膜42上には、第2の配線35、書き
込みワード線11が形成されている。
A second insulating film 42 is formed on the first insulating film 41 so as to cover the sense line 15, the first wiring 31 and the like. A contact 33 connected to the first wiring 1 is formed on the second insulating film 42. Further, the second wiring 35 and the write word line 11 are formed on the second insulating film 42.

【0054】上記第2の絶縁膜42上には、上記書き込
みワード線11、第2の配線35等を覆う第3の絶縁膜
43が形成されている。この第3の絶縁膜43には、上
記第2の配線35に接続するコンタクト37が形成され
ている。さらに上記第3の絶縁膜43上には、上記書き
込みワード線11上方より上記コンタクト37の上端部
に接続する接続層が反強磁性体層305により形成され
ている。
A third insulating film 43 is formed on the second insulating film 42 to cover the write word line 11, the second wiring 35 and the like. A contact 37 connected to the second wiring 35 is formed on the third insulating film 43. Further, on the third insulating film 43, a connection layer connecting from above the write word line 11 to the upper end of the contact 37 is formed by the antiferromagnetic material layer 305.

【0055】さらに、上記反強磁性体層305上で、上
記書き込みワード線11の上方には、磁気記憶素子13
が形成されている。この磁気記憶素子13は、前記図5
によって説明したように、反強磁性体層305上に、強
磁性体層からなる第1磁化固定層(第1強磁性体層)3
06と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層3
07と強磁性体からなる第2磁化固定層(第2強磁性体
層)308とを順に積層してなる磁化固定層302、ト
ンネル絶縁層303、記憶層304、さらにキャップ層
313を順に積層して構成されている。このTMR素子
13を構成する材料は、前記図5によって説明したよう
な材料が用いられる。
Furthermore, on the antiferromagnetic layer 305, above the write word line 11, the magnetic memory element 13 is formed.
Are formed. This magnetic memory element 13 is the same as that shown in FIG.
As described above, the first magnetization fixed layer (first ferromagnetic layer) 3 made of a ferromagnetic layer is formed on the antiferromagnetic layer 305.
06 and the magnetic layer are antiferromagnetically coupled to the conductor layer 3
07 and a second magnetization fixed layer (second ferromagnetic layer) 308 made of a ferromagnetic material are sequentially stacked, a magnetization fixed layer 302, a tunnel insulating layer 303, a storage layer 304, and a cap layer 313 are sequentially stacked. Is configured. As the material forming the TMR element 13, the material described with reference to FIG. 5 is used.

【0056】上記トンネル絶縁層303が形成される磁
化固定層302(第2磁化固定層308)の表面は、鏡
面に研磨された表面となっている。その表面は、最大粗
さRmaxで0.5nm以下の粗さの平坦な面、好ましく
はRmaxで0.25nm以下の粗さの平坦な面、さらに
好ましくはRmaxで0.1nm以下の粗さの平坦な面に
形成されている。
The surface of the magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 308) on which the tunnel insulating layer 303 is formed is a mirror-polished surface. The surface thereof has a maximum roughness Rmax of 0.5 nm or less and a flat surface, preferably Rmax of 0.25 nm or less, and more preferably Rmax of 0.1 nm or less. It is formed on a flat surface.

【0057】また、上記磁化固定層302は、単層の強
磁性体層で形成することも可能である。この構成では、
磁化か固定層302表面が鏡面に形成されている。
The magnetization fixed layer 302 can also be formed of a single ferromagnetic layer. With this configuration,
The surface of the magnetization or fixed layer 302 is formed as a mirror surface.

【0058】上記第3の絶縁膜43上には上記反強磁性
体層305、TMR素子13等を覆う第4の絶縁膜44
が形成されている。この第4の絶縁膜44は表面が平坦
化され、上記TMR素子13の最上層が露出されてい
る。上記第4の絶縁膜44上には、上記TMR素子13
の上面に接続するものでかつ上記書き込みワード線11
と上記TMR素子13を間にして立体的に交差(例えば
直交)するビット線12が形成されている。
A fourth insulating film 44 is formed on the third insulating film 43 to cover the antiferromagnetic material layer 305, the TMR element 13 and the like.
Are formed. The surface of the fourth insulating film 44 is flattened so that the uppermost layer of the TMR element 13 is exposed. The TMR element 13 is formed on the fourth insulating film 44.
Connected to the upper surface of the write word line 11
And the bit line 12 that three-dimensionally intersects (for example, is orthogonal) with the TMR element 13 in between.

【0059】また、上記磁気記憶装置1において、反強
磁性体層305の表面が鏡面に形成されていてもよい。
この反強磁性体層305表面の鏡面状態は、上記磁化固
定層302と同様に、その表面は、最大粗さRmaxで
0.5nm以下の粗さの平坦な面、好ましくはRmaxで
0.25nm以下の粗さの平坦な面、さらに好ましくは
Rmaxで0.1nm以下の粗さの平坦な面に形成されて
いる。
In the magnetic storage device 1, the surface of the antiferromagnetic layer 305 may be mirror-finished.
The mirror-like state of the surface of the antiferromagnetic layer 305 is the same as the magnetization fixed layer 302, and the surface has a flat surface with a maximum roughness Rmax of 0.5 nm or less, preferably Rmax of 0.25 nm. It is formed on a flat surface having the following roughness, and more preferably on a flat surface having a roughness Rmax of 0.1 nm or less.

【0060】上記構成の磁気記憶装置1では、トンネル
絶縁層303は、鏡面に形成された磁化固定層302
(第2磁化固定層308)表面に形成されていることか
ら、均一な膜厚に形成されている。したがって、トンネ
ル絶縁層303に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形成さ
れていることによって生じていた電界の集中を回避する
ことができ、TMR素子13の性能の向上が図れる。な
お、磁化固定層302(第2磁化固定層308)表面の
最大粗さがRmaxで0.5nmを越えて粗くなると、ト
ンネル絶縁層303の膜厚が不均一に形成され、TMR
素子13の書き込み特性が劣化することになる。
In the magnetic memory device 1 having the above-mentioned structure, the tunnel insulating layer 303 has the magnetization fixed layer 302 formed on the mirror surface.
Since it is formed on the surface of the (second magnetization fixed layer 308), it has a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303 and improve the performance of the TMR element 13. If the maximum roughness of the surface of the magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 308) exceeds Rnm of 0.5 nm and becomes rough, the tunnel insulating layer 303 is formed to have an uneven film thickness, and
The writing characteristic of the element 13 is deteriorated.

【0061】また、上記磁気記憶装置1では、TMR素
子13内に配置される反強磁性体層305の表面が鏡面
に形成されていることから、その上面に形成される強磁
性体層である磁化固定層302、トンネル絶縁層303
等が均一な膜厚に形成されている。したがって、トンネ
ル絶縁層303に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形成さ
れていることによって生じていた電界の集中を回避する
ことができ、TMR素子13の性能の向上が図れる。
In the magnetic storage device 1, since the surface of the antiferromagnetic material layer 305 arranged in the TMR element 13 is mirror-finished, it is a ferromagnetic material layer formed on the upper surface thereof. Magnetization pinned layer 302, tunnel insulating layer 303
Etc. are formed in a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303 and improve the performance of the TMR element 13.

【0062】次に、本発明における磁気記憶装置の製造
方法に係る第1の実施の形態を、図6の製造工程断面図
によって説明する。本発明の製造方法は、特に書き込み
ワードラインを形成する工程以降のプロセスに関するも
のであり、電界効果トランジスタ等の機能スイッチング
素子の形成法は従来技術の通りである。
Next, a first embodiment of a method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to manufacturing process sectional views of FIGS. The manufacturing method of the present invention particularly relates to the process after the process of forming the write word line, and the method of forming the function switching element such as the field effect transistor is the same as the conventional technique.

【0063】図示はしないが、半導体基板には、読み出
しトランジスタを備えた読み出し回路、それを覆う第1
の絶縁膜等が形成されている。そして図6の(1)に示
すように、第1の絶縁膜41上には第1の配線31、セ
ンス線(図示せず)等が形成されている。この第1の絶
縁膜41上に、例えばテトラエトキシシランを原料に用
いたプラズマCVD法により、上記第1の配線31、セ
ンス線(図示せず)等を覆う酸化シリコン(P−TEO
S)膜421を例えば100nmの厚さに成膜し、次い
で高密度プラズマCVD法により、酸化シリコン(HD
P)膜422を例えば800nmの厚さに成膜し、さら
に酸化シリコン(P−TEOS)膜423を例えば12
00nmに厚さに成膜して、第2の絶縁膜42を形成す
る。その後、例えば化学的機械研磨によって、上記第1
の配線31上に例えば700nmの厚さの膜厚を残すよ
うに、上記第2の絶縁膜42を研磨する。この研磨は、
例えばCMPによる。
Although not shown, a read circuit having a read transistor on the semiconductor substrate, and a first circuit for covering the read circuit
Insulating film and the like are formed. Then, as shown in (1) of FIG. 6, a first wiring 31, a sense line (not shown) and the like are formed on the first insulating film 41. Silicon oxide (P-TEO) covering the first wiring 31, the sense line (not shown) and the like is formed on the first insulating film 41 by a plasma CVD method using tetraethoxysilane as a raw material, for example.
An S) film 421 is formed to a thickness of 100 nm, for example, and then silicon oxide (HD) is formed by a high density plasma CVD method.
The P) film 422 is formed to a thickness of, for example, 800 nm, and the silicon oxide (P-TEOS) film 423 is further formed to, for example, 12
The second insulating film 42 is formed by forming a film with a thickness of 00 nm. After that, for example, by chemical mechanical polishing, the first
The second insulating film 42 is polished so that a film thickness of, for example, 700 nm is left on the wiring 31 of FIG. This polishing is
For example, by CMP.

【0064】次に、上記平坦化された上記第2の絶縁膜
42上に、例えばプラズマCVD法により、エッチング
ストッパ層47を、例えば窒化シリコン(P−SiN)
膜を例えば20nmの厚さに成膜して形成する。その
後、レジスト塗布工程、リソグラフィー工程、エッチン
グ工程を経て、上記エッチングストッパ層47にビアホ
ールパターンを開口する。
Next, an etching stopper layer 47, such as silicon nitride (P-SiN), is formed on the planarized second insulating film 42 by, for example, a plasma CVD method.
The film is formed to have a thickness of 20 nm, for example. After that, a via hole pattern is opened in the etching stopper layer 47 through a resist coating step, a lithography step, and an etching step.

【0065】次いで、上記ビアホールパターンを埋め込
むように上記エッチングストッパ層47上にP−TEO
S膜を例えば300nmの厚さに成膜して、第3の絶縁
膜43(431)を形成する。その後、レジスト塗布工
程、リソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第3
の絶縁膜431に配線溝49を形成するとともに上記第
1の配線31に達するビアホール48を再び開口する。
このエッチング工程は、窒化シリコンに対して酸化シリ
コンが選択的にエッチングされる条件で行う。
Next, P-TEO is formed on the etching stopper layer 47 so as to fill the via hole pattern.
An S film is formed to a thickness of 300 nm, for example, to form a third insulating film 43 (431). Then, after a resist coating process, a lithography process, and an etching process, the third
A wiring groove 49 is formed in the insulating film 431 and the via hole 48 reaching the first wiring 31 is opened again.
This etching step is performed under the condition that silicon oxide is selectively etched with respect to silicon nitride.

【0066】次いで、PVD(Physical Vapor Deposit
ion)法によって、上記ビアホール48および上記配線
溝49の各内面にバリアメタル層を、例えば窒化チタン
膜を20nmの厚さに堆積した後チタン膜を5nmの厚
さに堆積して形成する。次いで、化学的気相成長法によ
って、上記ビアホール48および上記配線溝49を埋め
込むように、配線材料として、例えばタングステンを堆
積する。その後、化学的機械研磨によって、第3の絶縁
膜431上に堆積した余剰のタングステンとバリアメタ
ル層とを除去して、上記配線溝49内にバリアメタル層
を介してタングステンより成る書き込みワード線11、
第2の配線35を形成するとともに、上記ビアホール4
8内にバリアメタル層を介してタングステンより成るプ
ラグ50を形成する
Next, PVD (Physical Vapor Deposit)
Ion method is used to form a barrier metal layer on each inner surface of the via hole 48 and the wiring groove 49, for example, by depositing a titanium nitride film to a thickness of 20 nm and then depositing a titanium film to a thickness of 5 nm. Then, by chemical vapor deposition, for example, tungsten is deposited as a wiring material so as to fill the via hole 48 and the wiring groove 49. Then, the excess tungsten and the barrier metal layer deposited on the third insulating film 431 are removed by chemical mechanical polishing, and the write word line 11 made of tungsten is formed in the wiring groove 49 via the barrier metal layer. ,
The second wiring 35 is formed and the via hole 4 is formed.
A plug 50 made of tungsten is formed in the electrode 8 through a barrier metal layer.

【0067】その後、上記第3の絶縁膜431上に上記
書き込みワード線11、第2の配線35等を覆う上層部
分の第3の絶縁膜43(432)を、例えばP−TEO
S膜を例えば100nmの厚さに堆積して形成する。こ
のように、書き込みワード線11、第2の配線35等を
覆う第3の絶縁膜43が形成される。
After that, an upper layer third insulating film 43 (432) covering the write word line 11, the second wiring 35 and the like is formed on the third insulating film 431, for example, P-TEO.
The S film is formed by depositing it to a thickness of 100 nm, for example. In this way, the third insulating film 43 covering the write word line 11, the second wiring 35, etc. is formed.

【0068】上記工程で形成される書き込みワード線1
1の材料には、例えば、PVD法もしくはCVD法によ
って成膜される、イリジウム、オスミウム、クロム、ジ
ルコニウム、タングステン、タンタル、チタントリウ
ム、バナジウム、モリブデン、ロジウム、ニッケルおよ
びルテニウムのうちの1種からなる金属膜、もしくは複
数種からなる合金膜を用いることができる。
Write word line 1 formed in the above process
The first material is, for example, one of iridium, osmium, chromium, zirconium, tungsten, tantalum, titanium thorium, vanadium, molybdenum, rhodium, nickel and ruthenium which is formed by PVD or CVD. A metal film or an alloy film composed of a plurality of kinds can be used.

【0069】次いで、図6の(2)に示すように、レジ
スト塗布工程、リソグラフィー工程により、上記第3の
絶縁膜43上にマスクを形成した後、そのマスクを用い
てエッチングにより第2の配線35と接続するビアホー
ル51を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, a mask is formed on the third insulating film 43 by a resist coating process and a lithography process, and then the second wiring is formed by etching using the mask. A via hole 51 connected to 35 is formed.

【0070】続いて、PVD法によって、バリア層31
5、反強磁性体層305、強磁性体からなる磁化固定層
302、トンネル絶縁層303、強磁性体からなる記憶
層304、キャップ層313を順次成膜する。
Then, the barrier layer 31 is formed by the PVD method.
5, the antiferromagnetic material layer 305, the magnetization fixed layer 302 made of a ferromagnetic material, the tunnel insulating layer 303, the storage layer 304 made of a ferromagnetic material, and the cap layer 313 are sequentially formed.

【0071】上記バリア層315には、例えば、窒化チ
タン、タンタルもしくは窒化タンタルを用いることがで
きる。上記反強磁性体層305には、例えば、鉄・マン
ガン、ニッケル・マンガン、白金・マンガン、イリジウ
ム・マンガン等のマンガン合金を用いることができる。
For the barrier layer 315, for example, titanium nitride, tantalum or tantalum nitride can be used. For the antiferromagnetic layer 305, for example, a manganese alloy such as iron / manganese, nickel / manganese, platinum / manganese, or iridium / manganese can be used.

【0072】上記反強磁性体層305を形成した時点
で、好ましくは、例えばCMP法によって、少なくとも
TMR素子が形成される領域の反強磁性体層305表面
が鏡面状態になる様に研磨する。この場合、反強磁性体
層305表面を例えば最大粗さRmaxで0.5nm以下
となるように研磨する。好ましくは、Rmaxで0.25
nm以下、さらに好ましくはRmaxで0.1nm以下に
研磨する。通常、研磨速度と面粗さにはほぼ相関関係が
有り、研磨速度が速い場合には面粗さが粗くなる。よっ
て、使用する磁性材料により研磨剤を変更する必要があ
る。例えば比較的柔らかい材質、例えば鉄−マンガン、
ニッケル−マンガン、白金−マンガンなどには比較的柔
らかい研磨剤であるフュームドシリカを用い、さらに粗
さを小さくする場合にはコロイダルシリカを用いる。比
較的硬い材質、例えばイリジウム−マンガンなどには比
較的硬い研磨剤であるアルミナなどを用いる。
When the antiferromagnetic layer 305 is formed, it is preferably polished by, for example, the CMP method so that at least the surface of the antiferromagnetic layer 305 in the region where the TMR element is formed becomes a mirror surface. In this case, the surface of the antiferromagnetic material layer 305 is polished so that the maximum roughness Rmax is 0.5 nm or less. Preferably, Rmax is 0.25
nm or less, more preferably 0.1 nm or less in Rmax. Usually, there is a substantial correlation between the polishing rate and the surface roughness, and when the polishing rate is high, the surface roughness becomes rough. Therefore, it is necessary to change the abrasive depending on the magnetic material used. For example, a relatively soft material such as iron-manganese,
Fumed silica, which is a relatively soft abrasive, is used for nickel-manganese, platinum-manganese, etc., and colloidal silica is used for further reducing the roughness. For a relatively hard material such as iridium-manganese, a relatively hard abrasive such as alumina is used.

【0073】上記反強磁性体層305表面を研磨する場
合には多少の研磨キズなどによる面粗さが有ってもその
上に形成される下層強磁性体層66により凹凸がならさ
れる効果が期待できる。しかしながら逆に下層強磁性体
層66のグレインサイズが大きく厚さムラが大きいなど
の場合は逆効果になる。
When the surface of the antiferromagnetic material layer 305 is polished, even if there is some surface roughness due to polishing scratches or the like, the lower ferromagnetic material layer 66 formed thereon has the effect of making unevenness. Can be expected. On the contrary, when the grain size of the lower ferromagnetic layer 66 is large and the thickness unevenness is large, the opposite effect is obtained.

【0074】強磁性体からなる上記第1磁化固定層30
6および第2磁化固定層308には、例えば、ニッケル
・鉄、コバルト・鉄等の合金材料を用いることができ
る。この第1磁化固定層302は反強磁性体層305と
の交換結合によって、磁化の方向がピニング(pinnin
g)される。
The first magnetization fixed layer 30 made of a ferromagnetic material.
An alloy material such as nickel-iron or cobalt-iron can be used for the sixth and second magnetization fixed layers 308. The magnetization direction of the first magnetization fixed layer 302 is pinned by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer 305.
g) be done.

【0075】次に、例えばCMPによって、上記磁化固
定層302(第2磁化固定層308)表面を鏡面に形成
する。なお、この磁化固定層302(第2磁化固定層3
08)表面が鏡面に研磨加工されるならば、必ずしも上
記反強磁性体層305表面を鏡面に形成する必要はな
い。この第2磁化固定層308表面を研磨する場合には
多少のキズも許されないため、研磨レートの低い研磨剤
さらに研磨材粒子の小さい研磨剤を用いる必要がある。
さらに、この第2磁化固定層308表面はトンネル絶縁
層303と直接に接する面のため汚染等にも留意する必
要がある。
Next, the surface of the magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 308) is formed into a mirror surface by CMP, for example. The magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 3
08) If the surface is mirror-polished, the surface of the antiferromagnetic material layer 305 does not necessarily have to be mirror-finished. When the surface of the second magnetization fixed layer 308 is polished, some scratches are not allowed. Therefore, it is necessary to use an abrasive having a low polishing rate and an abrasive having small abrasive particles.
Further, since the surface of the second magnetization fixed layer 308 is a surface which is in direct contact with the tunnel insulating layer 303, it is necessary to pay attention to contamination and the like.

【0076】上記トンネル絶縁層303には、例えば、
酸化アルミニウムが用いられる。このトンネル絶縁層3
03は、通常、0.5nm〜5nm程度の非常に薄い膜
で形成される必要があるため、例えば、ALD法、もし
くはスパッタリングによる成膜後にプラズマ酸化して形
成する。
In the tunnel insulating layer 303, for example,
Aluminum oxide is used. This tunnel insulation layer 3
Since 03 usually needs to be formed as a very thin film of about 0.5 nm to 5 nm, it is formed by plasma oxidation after film formation by, for example, the ALD method or sputtering.

【0077】強磁性体からなる上記記憶層304には、
例えば、ニッケル・鉄、コバルト・鉄等の合金材料を用
いることができる。この記憶層304は、TMR素子1
3の外部印加磁場によって、磁化の方向が磁化固定層3
02に対して平行もしくは反平行に変えることができ
る。
In the storage layer 304 made of a ferromagnetic material,
For example, an alloy material such as nickel / iron or cobalt / iron can be used. The storage layer 304 is the TMR element 1
The direction of the magnetization is changed by the external magnetic field applied to the magnetization fixed layer 3
It can be changed to parallel or antiparallel to 02.

【0078】上記キャップ層313は、例えば、タング
ステン、タンタル、窒化チタン等で形成することができ
る。
The cap layer 313 can be formed of, for example, tungsten, tantalum, titanium nitride or the like.

【0079】次いで、図6の(3)に示すように、レジ
スト塗布工程、リソグラフィー工程により、上記キャッ
プ層313上にマスクを形成した後、そのマスクを用い
てエッチング(例えば反応性イオンエッチング)により
上記キャップ層313〜上記バリア層315を加工し
て、TMR素子13を形成する。エッチングの終点は、
酸化アルミニウム膜からなるトンネル絶縁層303から
最下層の反強磁性体層305の途中で終わるように設定
する。図面では反強磁性体層305上でエッチングが終
了している。このエッチングには、エッチングガスとし
て例えば塩素(Cl)を含んだハロゲンガスもしくは一
酸化炭素(CO)にアンモニア(NH3 )を添加したガ
ス系を用いる。
Next, as shown in (3) of FIG. 6, a mask is formed on the cap layer 313 by a resist coating step and a lithography step, and then etching (eg, reactive ion etching) is performed using the mask. The cap layer 313 to the barrier layer 315 are processed to form the TMR element 13. The end point of etching is
It is set so that it ends in the middle of the tunnel insulating layer 303 made of an aluminum oxide film and the lowermost antiferromagnetic material layer 305. In the drawing, etching is completed on the antiferromagnetic layer 305. For this etching, a halogen gas containing chlorine (Cl) or a gas system in which ammonia (NH 3 ) is added to carbon monoxide (CO) is used as an etching gas.

【0080】次いで、レジスト塗布技術とリソグラフィ
ー技術とによって、レジストマスクを形成し、それを用
いた反応性イオンエッチングにより、残りのTMR材料
を加工して、TMR素子13と第2の配線35とを接続
するバイパス線317をTMR積層膜の一部を用いて形
成する。ここでは、主として反強磁性体層305とバリ
ア層315とで形成する。
Next, a resist mask is formed by a resist coating technique and a lithography technique, and the remaining TMR material is processed by reactive ion etching using the resist mask, so that the TMR element 13 and the second wiring 35 are formed. The bypass line 317 to be connected is formed using a part of the TMR laminated film. Here, the antiferromagnetic layer 305 and the barrier layer 315 are mainly formed.

【0081】次に、図6の(4)に示すように、CVD
法もしくはPVD法によって、全面に酸化シリコンもし
くは酸化アルミニウム等からなる第4の絶縁膜44を堆
積した後、化学的機械研磨によって、その堆積した第4
の絶縁膜44表面を平坦化するとともに、TMR素子1
3の最上層のキャップ層313を露出させる。
Next, as shown in (4) of FIG.
Method or PVD method, a fourth insulating film 44 made of silicon oxide, aluminum oxide, or the like is deposited on the entire surface, and then the deposited fourth film is formed by chemical mechanical polishing.
The surface of the insulating film 44 of the TMR element 1
The uppermost cap layer 313 of No. 3 is exposed.

【0082】次いで、標準的な配線形成技術によって、
ビット線12および周辺回路の配線(図示せず)、ボン
ディングパッド領域(図示せず)を形成する。さらに全
面にプラズマ窒化シリコン膜からなる第5の絶縁膜45
を形成した後、上記ボンディングパッド部分(図示せ
ず)を開口して、LSIのウエハプロセス工程を完了さ
せる。
Then, by the standard wiring forming technique,
Bit lines 12 and wirings (not shown) for peripheral circuits and bonding pad regions (not shown) are formed. Further, a fifth insulating film 45 made of a plasma silicon nitride film is formed on the entire surface.
After forming, the bonding pad portion (not shown) is opened to complete the LSI wafer process step.

【0083】上記磁気記憶装置1の製造方法では、強磁
性体からなる第2磁化固定層308表面を鏡面に研磨し
た後にトンネル絶縁層303を形成することから、トン
ネル絶縁層303は均一な膜厚に形成される。したがっ
て、トンネル絶縁層303に膜厚の厚い部分と薄い部分
とが形成されることによって発生していた電界の集中を
回避することができ、TMR素子13の性能の向上が図
れる。
In the method of manufacturing the magnetic memory device 1, the tunnel insulating layer 303 is formed after the surface of the second magnetization fixed layer 308 made of a ferromagnetic material is mirror-polished, so that the tunnel insulating layer 303 has a uniform film thickness. Is formed. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated due to the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303, and the performance of the TMR element 13 can be improved.

【0084】また、反強磁性体層305表面を鏡面に研
磨する工程を備えていることから、反強磁性体層305
の上面に形成される強磁性体等からなる磁化固定層30
2、トンネル絶縁層303等が均一な膜厚に形成され
る。したがって、トンネル絶縁層303に膜厚の厚い部
分と薄い部分とが形成されることによって発生していた
電界の集中を回避することができ、TMR素子13の性
能の向上が図れる。
Further, since the step of polishing the surface of the antiferromagnetic material layer 305 to a mirror surface is provided, the antiferromagnetic material layer 305 is provided.
Pinned layer 30 made of a ferromagnetic material or the like formed on the upper surface of the
2. The tunnel insulating layer 303 and the like are formed with a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated due to the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303, and the performance of the TMR element 13 can be improved.

【0085】なお、図7の書き込みワード線の斜視図に
示すように、書き込みワード線11の抵抗を上昇させる
ためには、TMR素子13の直下付近の書き込みワード
線11を細らせて形成するようにしてもよい。このよう
に書き込みワード線11を形成することにより、TMR
素子13直下の書き込みワード線11部分を効率的に発
熱させることが可能になる。
As shown in the perspective view of the write word line in FIG. 7, in order to increase the resistance of the write word line 11, the write word line 11 in the vicinity immediately below the TMR element 13 is thinned and formed. You may do it. By forming the write word line 11 in this manner, the TMR
It is possible to efficiently generate heat in the write word line 11 portion immediately below the element 13.

【0086】次に、本発明における磁気記憶装置の製造
方法に係る第2の実施の形態を、図8の製造工程断面図
によって説明する。本発明の製造方法は、特に書き込み
ワードラインを形成する工程以降のプロセスに関するも
のであり、電界効果トランジスタ等の機能スイッチング
素子の形成法は従来技術の通りである。
Next, a second embodiment of the method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to manufacturing process sectional views of FIGS. The manufacturing method of the present invention particularly relates to the process after the process of forming the write word line, and the method of forming the function switching element such as the field effect transistor is the same as the conventional technique.

【0087】図示はしないが、半導体基板には、読み出
しトランジスタを備えた読み出し回路、それを覆う第1
の絶縁膜等が形成されている。そして前記図6の(1)
によって説明した第1の実施の形態と同様に、図8の
(1)に示すように、第1の絶縁膜41上には第1の配
線31、センス線(図示せず)等が形成されている。こ
の第1の絶縁膜41上に、上記第1の配線31、センス
線(図示せず)等を覆う酸化シリコン(P−TEOS)
膜421を例えば100nmの厚さに成膜し、次いで、
酸化シリコン(HDP)膜422を例えば800nmの
厚さに成膜し、さらに酸化シリコン(P−TEOS)膜
423を例えば1200nmに厚さに成膜して、第2の
絶縁膜42を形成する。その後、例えば化学的機械研磨
によって、上記第1の配線31上に例えば700nmの
厚さの膜厚を残すように、上記第2の絶縁膜42を研磨
する。この研磨は、例えばCMPによる。
Although not shown in the drawing, the semiconductor substrate has a read circuit having a read transistor and a first read circuit covering the read circuit.
Insulating film and the like are formed. And (1) of FIG.
Similar to the first embodiment described above, as shown in (1) of FIG. 8, a first wiring 31, a sense line (not shown), etc. are formed on the first insulating film 41. ing. Silicon oxide (P-TEOS) covering the first wiring 31, the sense line (not shown), and the like on the first insulating film 41.
The film 421 is formed to a thickness of 100 nm, and then,
The silicon oxide (HDP) film 422 is formed to a thickness of 800 nm, for example, and the silicon oxide (P-TEOS) film 423 is formed to a thickness of 1200 nm, for example, to form the second insulating film 42. Then, the second insulating film 42 is polished by, for example, chemical mechanical polishing so as to leave a film thickness of, for example, 700 nm on the first wiring 31. This polishing is, for example, by CMP.

【0088】次に、上記平坦化された上記第2の絶縁膜
42上に、例えばプラズマCVD法により、エッチング
ストッパ層47を、例えば窒化シリコン(P−SiN)
膜を例えば20nmの厚さに成膜して形成する。その
後、レジスト塗布工程、リソグラフィー工程、エッチン
グ工程を経て、上記エッチングストッパ層47にビアホ
ールパターンを開口する。
Next, an etching stopper layer 47, for example, silicon nitride (P-SiN), is formed on the planarized second insulating film 42 by, for example, a plasma CVD method.
The film is formed to have a thickness of 20 nm, for example. After that, a via hole pattern is opened in the etching stopper layer 47 through a resist coating step, a lithography step, and an etching step.

【0089】次いで、上記ビアホールパターンを埋め込
むように上記エッチングストッパ層47上にP−TEO
S膜を例えば300nmの厚さに成膜して、第3の絶縁
膜43(431)を形成する。その後、レジスト塗布工
程、リソグラフィー工程、エッチング工程を経て、第3
の絶縁膜431に配線溝49を形成するとともに上記第
1の配線31に達するビアホール48を再び開口する。
このエッチング工程は、窒化シリコンに対して酸化シリ
コンが選択的にエッチングされる条件で行う。
Then, P-TEO is formed on the etching stopper layer 47 so as to fill the via hole pattern.
An S film is formed to a thickness of 300 nm, for example, to form a third insulating film 43 (431). Then, after a resist coating process, a lithography process, and an etching process, the third
A wiring groove 49 is formed in the insulating film 431 and the via hole 48 reaching the first wiring 31 is opened again.
This etching step is performed under the condition that silicon oxide is selectively etched with respect to silicon nitride.

【0090】次いで、PVD(Physical Vapor Deposit
ion)法によって、上記ビアホール48および上記配線
溝49の各内面にバリアメタル層を、例えば窒化チタン
膜を20nmの厚さに堆積した後チタン膜を5nmの厚
さに堆積して形成する。次いで、化学的気相成長法によ
って、上記ビアホール48および上記配線溝49を埋め
込むように、配線材料として、例えばタングステンを堆
積する。その後、化学的機械研磨によって、第3の絶縁
膜431上に堆積した余剰のタングステンとバリアメタ
ル層とを除去して、上記配線溝49内にバリアメタル層
を介してタングステンより成る書き込みワード線11、
第2の配線35を形成するとともに、上記ビアホール4
8内にバリアメタル層を介してタングステンより成るプ
ラグ50を形成する
Next, PVD (Physical Vapor Deposit)
Ion method is used to form a barrier metal layer on each inner surface of the via hole 48 and the wiring groove 49, for example, by depositing a titanium nitride film to a thickness of 20 nm and then depositing a titanium film to a thickness of 5 nm. Then, by chemical vapor deposition, for example, tungsten is deposited as a wiring material so as to fill the via hole 48 and the wiring groove 49. Then, the excess tungsten and the barrier metal layer deposited on the third insulating film 431 are removed by chemical mechanical polishing, and the write word line 11 made of tungsten is formed in the wiring groove 49 via the barrier metal layer. ,
The second wiring 35 is formed and the via hole 4 is formed.
A plug 50 made of tungsten is formed in the electrode 8 through a barrier metal layer.

【0091】その後、上記第3の絶縁膜431上に上記
書き込みワード線11、第2の配線35等を覆う上層部
分の第3の絶縁膜43(432)を、例えばP−TEO
S膜を例えば100nmの厚さに堆積して形成する。こ
のように、書き込みワード線11、第2の配線35等を
覆う第3の絶縁膜43が形成される。
After that, an upper layer third insulating film 43 (432) covering the write word line 11, the second wiring 35 and the like is formed on the third insulating film 431 by, for example, P-TEO.
The S film is formed by depositing it to a thickness of 100 nm, for example. In this way, the third insulating film 43 covering the write word line 11, the second wiring 35, etc. is formed.

【0092】上記工程で形成される書き込みワード線1
1の材料には、例えば、PVD法もしくはCVD法によ
って成膜される、イリジウム、オスミウム、クロム、ジ
ルコニウム、タングステン、タンタル、チタントリウ
ム、バナジウム、モリブデン、ロジウム、ニッケルおよ
びルテニウムのうちの1種からなる金属膜、もしくは複
数種からなる合金膜を用いることができる。
Write word line 1 formed in the above process
The first material is, for example, one of iridium, osmium, chromium, zirconium, tungsten, tantalum, titanium thorium, vanadium, molybdenum, rhodium, nickel and ruthenium which is formed by PVD or CVD. A metal film or an alloy film composed of a plurality of kinds can be used.

【0093】次いで、上記第3の絶縁膜43上に、溝を
形成する際のエッチングストッパとなるエッチングスト
ッパ層53を、例えば窒化膜を10nmの厚さに堆積し
て形成する。さらに、溝を形成するための絶縁膜54
を、例えば酸化膜を50nmの厚さに堆積して形成す
る。
Next, on the third insulating film 43, an etching stopper layer 53, which serves as an etching stopper when forming a groove, is formed by depositing, for example, a nitride film to a thickness of 10 nm. Further, an insulating film 54 for forming a groove
Is formed by depositing an oxide film with a thickness of 50 nm, for example.

【0094】次に、図8の(2)に示すように、レジス
ト塗布工程、リソグラフィー工程により、上記絶縁膜4
3上にマスクを形成した後、そのマスクを用いてエッチ
ングにより第2の配線35と接続するビアホール51を
形成する。次いでマスクを除去した後、さらにレジスト
塗布工程、リソグラフィー工程により、上記絶縁膜54
上にマスク(図示せず)を形成した後、そのマスクを用
いてエッチングにより、後に形成されるTMR素子と上
記第2の配線35とを接続するバイパス線が形成される
溝55を形成する。なお、溝55の形成とビアホール5
1の形成はどちらが先であっても差し支えはない。
Next, as shown in FIG. 8B, the insulating film 4 is formed by a resist coating process and a lithography process.
After a mask is formed on the surface 3, the via hole 51 connected to the second wiring 35 is formed by etching using the mask. Then, after removing the mask, the insulating film 54 is subjected to a resist coating process and a lithography process.
After forming a mask (not shown) on the top, etching is performed using the mask to form a groove 55 in which a bypass line connecting a TMR element to be formed later and the second wiring 35 is formed. The formation of the groove 55 and the via hole 5
It does not matter which one is formed first.

【0095】続いて、PVD法によって、溝55および
ビアホール51の内面にバリア層315を形成した後、
溝55およびビアホール51内を反強磁性体層305で
埋め込む。
Then, after forming a barrier layer 315 on the inner surfaces of the groove 55 and the via hole 51 by the PVD method,
The groove 55 and the via hole 51 are filled with an antiferromagnetic material layer 305.

【0096】上記バリア層315には、例えば、窒化チ
タン、タンタルもしくは窒化タンタルを用いることがで
きる。上記反強磁性体層305には、例えば、鉄・マン
ガン、ニッケル・マンガン、白金・マンガン、イリジウ
ム・マンガン等のマンガン合金を用いることができる。
For the barrier layer 315, for example, titanium nitride, tantalum or tantalum nitride can be used. For the antiferromagnetic layer 305, for example, a manganese alloy such as iron / manganese, nickel / manganese, platinum / manganese, or iridium / manganese can be used.

【0097】次に、図8の(3)に示すように、例えば
CMP法によって、上記反強磁性体層305およびバリ
ア層315を上記絶縁膜54が露出するまで研磨する。
この研磨では、少なくともTMR素子が形成される領域
の反強磁性体層305表面が鏡面状態になる様に研磨す
る。この場合、反強磁性体層305表面を例えば最大粗
さRmaxで0.5nm以下の平坦な面となるように研磨
する。好ましくは、Rmaxで0.25nm以下の平坦な
面、さらに好ましくはRmaxで0.1nm以下の平坦な
面に研磨する。
Next, as shown in FIG. 8C, the antiferromagnetic material layer 305 and the barrier layer 315 are polished by, eg, CMP until the insulating film 54 is exposed.
In this polishing, at least the surface of the antiferromagnetic layer 305 in the region where the TMR element is formed is polished so as to be a mirror surface. In this case, the surface of the antiferromagnetic material layer 305 is polished so as to be a flat surface having a maximum roughness Rmax of 0.5 nm or less. Polishing is preferably performed on a flat surface having an Rmax of 0.25 nm or less, and more preferably a flat surface having an Rmax of 0.1 nm or less.

【0098】通常、研磨速度と面粗さとにはほぼ相関関
係が有り、研磨速度が速い場合には面粗さが粗くなる。
よって、使用する磁性材料により研磨剤を変更する必要
がある。例えば比較的柔らかい材質、例えば鉄−マンガ
ン、ニッケル−マンガン、白金−マンガンなどには比較
的柔らかい研磨剤であるフュームドシリカを用い、さら
に粗さを小さくする場合にはコロイダルシリカを用い
る。比較的硬い材質、例えばイリジウム−マンガンなど
には比較的硬い研磨剤であるアルミナなどを用いる。ま
た、酸化膜からなる絶縁膜54が研磨されず、バリア層
315、反強磁性体層305が研磨されるようにするた
めに研磨剤は選択比のあるものを用いる。例えば反強磁
性体を酸化し研磨しやすくするために過酸化水素水を加
えるなどの手段をとる。
Usually, there is a substantial correlation between the polishing rate and the surface roughness, and when the polishing rate is high, the surface roughness becomes rough.
Therefore, it is necessary to change the abrasive depending on the magnetic material used. For example, a relatively soft material, such as iron-manganese, nickel-manganese, or platinum-manganese, uses fumed silica, which is a relatively soft abrasive, and colloidal silica is used to further reduce the roughness. For a relatively hard material such as iridium-manganese, a relatively hard abrasive such as alumina is used. Further, in order that the insulating film 54 made of an oxide film is not polished and the barrier layer 315 and the antiferromagnetic layer 305 are polished, a polishing agent having a selective ratio is used. For example, measures such as adding hydrogen peroxide solution in order to oxidize the antiferromagnetic material and make it easier to polish are taken.

【0099】その後、例えばPVD法によって、前記第
1の実施の形態で説明したのと同様に、強磁性体等から
なる磁化固定層302を形成する。すなわち、前記図5
に示したように、強磁性体からなる第1磁化固定層30
6、導電層307、第2磁化固定層308を順に積層し
て磁化固定層302を形成する。強磁性体からなる上記
第1磁化固定層306および第2磁化固定層308に
は、例えば、ニッケル・鉄、コバルト・鉄等の合金材料
を用いることができる。この第1磁化固定層306は反
強磁性体層305との交換結合によって、磁化の方向が
ピニング(pinning)される。
After that, the magnetization fixed layer 302 made of a ferromagnetic material or the like is formed by the PVD method, for example, in the same manner as described in the first embodiment. That is, in FIG.
As shown in, the first magnetization fixed layer 30 made of a ferromagnetic material
6, the conductive layer 307, and the second magnetization fixed layer 308 are sequentially stacked to form the magnetization fixed layer 302. For the first magnetization fixed layer 306 and the second magnetization fixed layer 308 made of a ferromagnetic material, an alloy material such as nickel / iron or cobalt / iron can be used. The magnetization direction of the first magnetization fixed layer 306 is pinned by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 305.

【0100】次に、例えばCMPによって、上記磁化固
定層302(第2磁化固定層308)表面を鏡面に形成
する。なお、この磁化固定層302(第2磁化固定層3
08)表面が鏡面に研磨加工されるならば、必ずしも上
記反強磁性体層305表面を鏡面に形成する必要はな
い。この第2磁化固定層308表面を研磨する場合には
多少のキズも許されないため、研磨レートの低い研磨剤
さらに研磨材粒子の小さい研磨剤を用いる必要がある。
さらに、この第2磁化固定層308表面はトンネル絶縁
層303と直接接する面のため汚染等にも気をつけなけ
ればならない。
Next, the surface of the magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 308) is formed into a mirror surface by CMP, for example. The magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 3
08) If the surface is mirror-polished, the surface of the antiferromagnetic material layer 305 does not necessarily have to be mirror-finished. When the surface of the second magnetization fixed layer 308 is polished, some scratches are not allowed. Therefore, it is necessary to use an abrasive having a low polishing rate and an abrasive having small abrasive particles.
Furthermore, since the surface of the second magnetization fixed layer 308 is a surface that is in direct contact with the tunnel insulating layer 303, care must be taken to prevent contamination.

【0101】その後、例えばPVD法によって、上記磁
化固定層302(第2磁化固定層308)表面に、トン
ネル絶縁層303、強磁性体からなる記憶層304、キ
ャップ層313を順次成膜する。
After that, the tunnel insulating layer 303, the memory layer 304 made of a ferromagnetic material, and the cap layer 313 are sequentially formed on the surface of the magnetization fixed layer 302 (second magnetization fixed layer 308) by, for example, the PVD method.

【0102】上記トンネル絶縁層303には、例えば、
酸化アルミニウムが用いられる。このトンネル絶縁層3
03は、通常、0.5nm〜5nm程度の非常に薄い膜
で形成される必要があるため、例えば、ALD法、もし
くはスパッタリングによる成膜後にプラズマ酸化して形
成する。
The tunnel insulating layer 303 has, for example,
Aluminum oxide is used. This tunnel insulation layer 3
Since 03 usually needs to be formed as a very thin film of about 0.5 nm to 5 nm, it is formed by plasma oxidation after film formation by, for example, the ALD method or sputtering.

【0103】強磁性体からなる上記記憶層304には、
例えば、ニッケル・鉄、コバルト・鉄等の合金材料を用
いることができる。この記憶層304は、TMR素子1
3の外部印加磁場によって、磁化の方向が磁化固定層3
02に対して平行もしくは反平行に変えることができ
る。
In the storage layer 304 made of a ferromagnetic material,
For example, an alloy material such as nickel / iron or cobalt / iron can be used. The storage layer 304 is the TMR element 1
The direction of the magnetization is changed by the external magnetic field applied to the magnetization fixed layer 3
It can be changed to parallel or antiparallel to 02.

【0104】上記キャップ層313は、例えば、タング
ステン、タンタル、窒化チタン等で形成することができ
る。
The cap layer 313 can be formed of, for example, tungsten, tantalum, titanium nitride or the like.

【0105】なお、上記反強磁性体層305表面を研磨
する場合には多少の研磨キズなどによる面粗さが有って
もその上に形成される磁化固定層302により凹凸がな
らされる効果が期待できる。
When the surface of the antiferromagnetic material layer 305 is polished, even if there is some surface roughness due to polishing scratches or the like, the magnetization fixed layer 302 formed thereon has unevenness. Can be expected.

【0106】次いで、図8の(4)に示すように、レジ
スト塗布工程、リソグラフィー工程により、上記キャッ
プ層313上にマスクを形成した後、そのマスクを用い
てエッチング(例えば反応性イオンエッチング)により
上記キャップ層313〜上記磁化固定層302を加工し
て、TMR素子13を形成する。エッチングの終点は、
酸化アルミニウム膜からなるトンネル絶縁層303から
最下層の磁化固定層302の途中で終わるように設定す
る。図面では反強磁性体層305上でエッチングが終了
している。このエッチングには、エッチングガスとして
例えば塩素(Cl)を含んだハロゲンガスもしくは一酸
化炭素(CO)にアンモニア(NH3 )を添加したガス
系を用いる。
Next, as shown in (4) of FIG. 8, a mask is formed on the cap layer 313 by a resist coating step and a lithography step, and then etching (eg, reactive ion etching) is performed using the mask. The cap layer 313 to the magnetization fixed layer 302 are processed to form the TMR element 13. The end point of etching is
It is set so that it ends in the middle of the tunnel insulating layer 303 made of an aluminum oxide film and the lowermost magnetization fixed layer 302. In the drawing, etching is completed on the antiferromagnetic layer 305. For this etching, a halogen gas containing chlorine (Cl) or a gas system in which ammonia (NH 3 ) is added to carbon monoxide (CO) is used as an etching gas.

【0107】次に、CVD法もしくはPVD法によっ
て、全面に酸化シリコンもしくは酸化アルミニウム等か
らなる第4の絶縁膜44を堆積した後、化学的機械研磨
によって、その堆積した第4の絶縁膜44表面を平坦化
するとともに、TMR素子13の最上層のキャップ層3
13を露出させる。
Next, a fourth insulating film 44 made of silicon oxide, aluminum oxide or the like is deposited on the entire surface by the CVD method or the PVD method, and then the surface of the deposited fourth insulating film 44 is formed by the chemical mechanical polishing. Of the TMR element 13 and the uppermost cap layer 3 of the TMR element 13
Expose 13

【0108】次いで、標準的な配線形成技術によって、
ビット線12および周辺回路の配線(図示せず)、ボン
ディングパッド領域(図示せず)を形成する。さらに全
面にプラズマ窒化シリコン膜からなる第5の絶縁膜45
を形成した後、上記ボンディングパッド部分(図示せ
ず)を開口して、LSIのウエハプロセス工程を完了さ
せる。
Then, by the standard wiring forming technique,
Bit lines 12 and wirings (not shown) for peripheral circuits and bonding pad regions (not shown) are formed. Further, a fifth insulating film 45 made of a plasma silicon nitride film is formed on the entire surface.
After forming, the bonding pad portion (not shown) is opened to complete the LSI wafer process step.

【0109】上記磁気記憶装置2の製造方法では、強磁
性体からなる第2磁化固定層308表面を鏡面に研磨し
た後にトンネル絶縁層303を形成することから、トン
ネル絶縁層303は均一な膜厚に形成される。したがっ
て、トンネル絶縁層303に膜厚の厚い部分と薄い部分
とが形成されることによって発生していた電界の集中を
回避することができ、TMR素子13の性能の向上が図
れる。
In the method of manufacturing the magnetic memory device 2, the tunnel insulating layer 303 is formed after the surface of the second magnetization fixed layer 308 made of a ferromagnetic material is mirror-polished, so that the tunnel insulating layer 303 has a uniform film thickness. Is formed. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated due to the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303, and the performance of the TMR element 13 can be improved.

【0110】また、反強磁性体層305表面を鏡面に研
磨する工程を備えていることから、反強磁性体層305
の上面に形成される強磁性体等からなる磁化固定層30
2、トンネル絶縁層303等が均一な膜厚に形成され
る。したがって、トンネル絶縁層303に膜厚の厚い部
分と薄い部分とが形成されることによって発生していた
電界の集中を回避することができ、TMR素子13の性
能の向上が図れる。
Further, since the step of polishing the surface of the antiferromagnetic material layer 305 into a mirror surface is provided, the antiferromagnetic material layer 305 is provided.
Pinned layer 30 made of a ferromagnetic material or the like formed on the upper surface of the
2. The tunnel insulating layer 303 and the like are formed with a uniform film thickness. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated due to the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer 303, and the performance of the TMR element 13 can be improved.

【0111】[0111]

【発明の効果】以上、説明したように本発明の磁気記憶
装置によれば、トンネル絶縁層は、鏡面に形成された第
1強磁性体層表面に形成されていることから、均一な膜
厚に形成されている。したがって、トンネル絶縁層に膜
厚の厚い部分と薄い部分とが形成されていることによっ
て生じていた電界の集中を回避することができ、TMR
素子の性能の向上を図ることができる。さらに、磁気記
憶素子内に配置される反強磁性体層表面が鏡面に形成さ
れている構成によれば、反強磁性体層表面に形成される
強磁性体層、トンネル絶縁層等は均一な膜厚に形成され
ている。したがって、トンネル絶縁層に膜厚の厚い部分
と薄い部分とが形成されていることによって生じていた
電界の集中を回避することができ、TMR素子の性能の
向上を図ることができる。
As described above, according to the magnetic memory device of the present invention, since the tunnel insulating layer is formed on the surface of the first ferromagnetic layer formed as a mirror surface, a uniform film thickness is obtained. Is formed in. Therefore, it is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer.
The performance of the element can be improved. Furthermore, according to the configuration in which the surface of the antiferromagnetic material layer arranged in the magnetic memory element is formed into a mirror surface, the ferromagnetic material layer, the tunnel insulating layer, and the like formed on the surface of the antiferromagnetic material layer are uniform. It is formed to a film thickness. Therefore, it is possible to avoid the electric field concentration caused by the formation of the thick and thin portions in the tunnel insulating layer, and improve the performance of the TMR element.

【0112】本発明の磁気記憶装置の製造方法によれ
ば、第1強磁性体層を鏡面に研磨した後にトンネル絶縁
層を形成することから、トンネル絶縁層は均一な膜厚に
形成できる。したがって、トンネル絶縁層に膜厚の厚い
部分と薄い部分とが形成されることによって発生してい
た電界の集中を回避することができ、高性能なTMR素
子を形成することができ、磁気記憶装置の性能の向上と
安定化が図れる。さらに反強磁性体層の表面を鏡面に研
磨する工程を備えている製造方法では、反強磁性体層の
上面に形成される強磁性体層、トンネル絶縁層等を均一
な膜厚に形成することができる。したがって、トンネル
絶縁層に膜厚の厚い部分と薄い部分とが形成されること
によって発生していた電界の集中を回避することがで
き、TMR素子の性能の向上と安定化が図れる。
According to the method of manufacturing a magnetic memory device of the present invention, since the tunnel insulating layer is formed after the first ferromagnetic layer is mirror-polished, the tunnel insulating layer can be formed to have a uniform thickness. Therefore, it is possible to avoid concentration of an electric field generated by forming a thick portion and a thin portion in the tunnel insulating layer, and it is possible to form a high-performance TMR element, and thus the magnetic storage device. The performance and stability of can be improved. Further, in the manufacturing method including the step of polishing the surface of the antiferromagnetic material layer to a mirror surface, the ferromagnetic material layer, the tunnel insulating layer, etc. formed on the upper surface of the antiferromagnetic material layer are formed to have a uniform thickness. be able to. Therefore, it is possible to avoid the concentration of the electric field generated by forming the thick portion and the thin portion in the tunnel insulating layer, and improve and stabilize the performance of the TMR element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の磁気記憶装置に係る一実施の形態を示
す概略構成断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a magnetic memory device of the present invention.

【図2】一般的なMRAMの主要部を簡略化して示した
概略構成斜視図である。
FIG. 2 is a schematic configuration perspective view showing a simplified main part of a general MRAM.

【図3】クロスポイント型のMRAMの磁界応答を示す
アステロイド図である。
FIG. 3 is an asteroid diagram showing a magnetic field response of a cross-point type MRAM.

【図4】MRAMの原理回路図である。FIG. 4 is a principle circuit diagram of an MRAM.

【図5】トンネル磁気抵抗素子(TMR素子)を示す斜
視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a tunnel magnetoresistive element (TMR element).

【図6】本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る第1実
施の形態を示す概略構成断面図である。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the first embodiment of the method of manufacturing a magnetic memory device according to the present invention.

【図7】第1実施の形態の変形例を示す概略構成斜視図
である。
FIG. 7 is a schematic configuration perspective view showing a modified example of the first embodiment.

【図8】本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る第2実
施の形態を示す概略構成断面図である。
FIG. 8 is a schematic structural cross-sectional view showing a second embodiment of the method of manufacturing the magnetic memory device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…磁気記憶装置、13…磁気記憶素子(TMR素
子)、302…磁化固定層、303…トンネル絶縁層、
304…記憶層、308…第2磁化固定層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Magnetic storage device, 13 ... Magnetic storage element (TMR element), 302 ... Magnetization fixed layer, 303 ... Tunnel insulating layer,
304 ... Storage layer, 308 ... Second magnetization fixed layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 43/12 H01L 27/10 447 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 43/12 H01L 27/10 447

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1強磁性体層とトンネル絶縁層と第2
強磁性体層とからなる積層構造を有する磁気記憶素子を
備えた磁気記憶装置において、 前記トンネル絶縁層は、鏡面に形成された前記第1強磁
性体層表面に形成されていることを特徴とする磁気記憶
装置。
1. A first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer.
In a magnetic memory device including a magnetic memory element having a laminated structure including a ferromagnetic layer, the tunnel insulating layer is formed on the surface of the first ferromagnetic layer formed to be a mirror surface. Magnetic storage device.
【請求項2】 第1強磁性体層とトンネル絶縁層と第2
強磁性体層とからなる積層構造を有する磁気記憶素子を
備えた磁気記憶装置において、 前記磁気記憶素子内に配置される反強磁性体層は前記第
1強磁性体層が形成される表面が鏡面に形成されている
ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. A first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second
In a magnetic memory device including a magnetic memory element having a laminated structure including a ferromagnetic layer, an antiferromagnetic layer disposed in the magnetic memory element has a surface on which the first ferromagnetic layer is formed. A magnetic storage device having a mirror surface.
【請求項3】 前記反強磁性体層は、層間絶縁膜表面に
形成された溝内に形成されかつ表面が鏡面に形成されて
いることを特徴とする請求項2記載の磁気記憶装置。
3. The magnetic memory device according to claim 2, wherein the antiferromagnetic layer is formed in a groove formed on the surface of the interlayer insulating film and the surface is formed as a mirror surface.
【請求項4】 第1強磁性体層とトンネル絶縁層と第2
強磁性体層とからなる積層構造を有する磁気記憶素子を
備えた磁気記憶装置の製造方法において、 前記第1強磁性体層を形成した後にその表面を鏡面に研
磨する工程と、 前記第1強磁性体層の鏡面上に前記トンネル絶縁層を形
成する工程とを有することを特徴とする磁気記憶装置の
製造方法。
4. A first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer.
A method of manufacturing a magnetic memory device including a magnetic memory element having a laminated structure including a ferromagnetic layer, comprising: forming the first ferromagnetic layer, polishing the surface thereof to a mirror surface; A step of forming the tunnel insulating layer on the mirror surface of the magnetic layer, the method of manufacturing a magnetic memory device.
【請求項5】 第1強磁性体層とトンネル絶縁層と第2
強磁性体層とからなる積層構造を有する磁気記憶素子を
備えた磁気記憶装置の製造方法において、 前記磁気記憶素子内に配置される反強磁性体層の表面を
鏡面に研磨する工程を有することを特徴とする磁気記憶
装置の製造方法。
5. A first ferromagnetic layer, a tunnel insulating layer, and a second ferromagnetic layer.
A method of manufacturing a magnetic memory device having a magnetic memory element having a laminated structure including a ferromagnetic layer, the method including a step of polishing the surface of an antiferromagnetic layer arranged in the magnetic memory element to a mirror surface. And a method for manufacturing a magnetic storage device.
【請求項6】 前記反強磁性体層を形成する工程は、 層間絶縁膜表面に溝を形成する工程と、 前記溝内に反強磁性体層を形成する反強磁性体を埋め込
む工程と、 前記層間絶縁膜上の余剰な反強磁性体を除去して前記溝
内に前記反強磁性体からなる反強磁性体層を形成すると
ともに前記反強磁性体層表面を鏡面に研磨する工程とを
有することを特徴とする請求項5記載の磁気記憶装置の
製造方法。
6. The step of forming the antiferromagnetic material layer, the step of forming a groove on the surface of the interlayer insulating film, the step of embedding the antiferromagnetic material forming the antiferromagnetic material layer in the groove, Removing a surplus antiferromagnetic material on the interlayer insulating film to form an antiferromagnetic material layer made of the antiferromagnetic material in the groove, and polishing the surface of the antiferromagnetic material layer to a mirror surface. 6. The method for manufacturing a magnetic memory device according to claim 5, further comprising:
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